Hydro-Estimator:
http://www.star.nesdis.noaa.gov/smcd/emb/ff/auto.html

Для получения дополнительной информации о спутниковой оценке осадков с помощью Hydro-Estimator, пожалуйста, просмотрите этот урок VisitView:
http://rammb.cira.colostate.edu/visit/hydro.html

На момент публикации этого модуля Hydro-Estimator в настоящее время используется Национальной метеорологической службой. операции по предоставлению оценок осадков на основе инфракрасного (ИК) спутника.[1] Подобные товары один можно найти на этом веб-сайте NOAA.

Интернет-конференция VisitView доступна для тех, кто хочет получить более подробную информацию о Hydro-Estimator.

Что такое оценка осадков (QPE)?

Термин «количественная оценка осадков» или QPE относится к оценке наблюдаемых осадков.

Это отличается от прогноза осадков, который называется количественным осаждением. Прогноз, или QPF.

Количественные осадки Оценка

Вы можете задаться вопросом, почему осадки являются приблизительными, если они «наблюдаются». Наблюдаемые осадки это только оценка, потому что используемые инструменты дают неточные приближения к фактической величине и распределению осадков.

Методы и инструменты QPE

Radar — это инструмент QPE дистанционного зондирования с превосходным пространственным и временным разрешением.Однако радар покрытие может быть непостоянным от места к месту и от шторма к шторму.

Satellite — еще один инструмент QPE для дистанционного зондирования, но с гораздо более грубым разрешением, чем радар.

Даже дождемеры, которые являются наземными измерениями, подвержены ошибкам и не могут разрешить пространственные детали модели осадков.

Климатология осадков иногда используется для увеличения оценок наблюдаемых осадков.Этот может быть очень полезным в регионах, где распределение осадков и возможность их наблюдения сильно зависит от особенностей местности.

Регрессия параметра-высоты на модели независимых откосов, или PRISM, обеспечивает обычно используемый инструмент климатологии осадков.

Для получения дополнительной информации о рекомендациях по климатологии осадков из раздела «Регрессия по параметрам-высоте» на Модель независимых склонов (PRISM), см .:
http: // www.prism.oregonstate.edu/

В этом модуле

Технологии измерения, такие как радары, спутники и дождемеры, будут продолжать развиваться и совершенствоваться. В Цель этого модуля — предоставить вам основу, чтобы сделать выбор о том, когда использовать определенные наблюдения платформы.

• Раздел 2: Дистанционное зондирование QPE

• Раздел 3: Датчик дождя QPE

  • Исследует использование дождемеров

• Раздел 4: Климатология осадков / PRISM

  • Обзор инструментов, основанных на климатологии осадков, таких как информация, доступная от PRISM.

• Раздел 5: Резюме

Вопросы для обзора

1. Основное преимущество радиолокационных данных об осадках заключается в том, что они обеспечивают _____.

Выберите лучший ответ.

2. Наблюдения за счетчиком дождя на самом деле не являются QPE, потому что они не являются «оценками», а настоящие наземные сводки.

Выберите лучший ответ.

3. Данные климатологии PRISM могут быть особенно полезны для дополнения данных в в какой области?

Выберите лучший ответ.

II. Дистанционное зондирование QPE

Темы в этом разделе:

• Взаимосвязь между распределением размеров капель, соотношением Z-R и производным количеством осадков

• Воздействие снега на радиолокационные оценки осадков

• Возможное улучшение с поляриметрическим радаром

• Радиолокационное покрытие

• Радиолокационная климатология

• Спутник QPE

Накопление осадков обычно определяется с помощью радиолокационных и спутниковых наблюдений.Несмотря на несоответствия в радиолокационных осадках от места к месту и от сезона к сезону учитывается радиолокационное наведение. во многих областях превосходит спутниковое наведение QPE. В основном это связано с превосходным разрешением как в пространстве, так и во времени, и часто лучше количественное руководство.

Темы в этом разделе включают взаимосвязь между распределением размеров капель, взаимосвязью Z-R, и производные осадки; влияние снега на оценки, полученные с помощью радара, потенциальное улучшение QPE с поляриметрический радар, вопросы радиолокационного покрытия и концепция радиолокационной климатологии.Краткое изложение проблем в отношении спутникового QPE будет следовать разделам радара.

NOAA’s NWS Warning Decision Training Branch (WDTB) Курс дистанционного обучения (DLOC)
(http://www.wdtb.noaa.gov/courses/dloc/outline.html)

Темы в этом разделе охватывают некоторые сложные вопросы, но мы только суммируем их. Более подробное обучение существует в онлайн-курсе дистанционного обучения (DLOC) NOAA WDTB, упомянутом в разделе 1.

Отражательная способность-интенсивность осадков (Z-R) и распределение размеров капель (DSD)

Коэффициент отражения радара (Z), выраженный в единицах дБZ, используется для вычисления …

… интенсивность дождя (R) в мм / ч с использованием зависимости отражательной способности от интенсивности дождя. Это известно как Z-R отношения.

Уровень осадков затем интегрируется с течением времени, чтобы произвести накопление за различные периоды времени.

• Какого размера гидрометеоры?

• Насколько плотно они упакованы вместе?

• Они жидкие или ледяные?

• Есть ли негидрометеоры, возвращающие энергию радару, например насекомые или наземные цели?

• Является ли отбор проб радара областью, которая является репрезентативной для осадков, достигающих земли?

Отношение между отражательной способностью и интенсивностью дождя и, следовательно, соотношение Z-R, меняется со временем, место и сезон.Свойства гидрометеора, влияющие на соотношение Z-R, включают:

Размеры …

Концентрация …

И фаза.

На точность рассчитанной интенсивности дождя дополнительно влияют:

Наличие негрометеоров …

И измеряет ли радар область, которая является репрезентативной для осадков, достигающих земли.

Форма гидрометеора, которая связана с размером и фазой гидрометеора, также является важной информацией для понимания. взаимосвязь между отражательной способностью и интенсивностью осадков. Крупные капли жидкости имеют более сжатую форму чем меньшие. Для радаров с горизонтальной поляризацией, таких как WSR88-D, больший горизонтальный диаметр отражает больше энергии возвращается к радару. Это приводит к большему количеству осадков.

Даже относительно небольшие градины диаметром 13 мм (полдюйма) в значительной степени влияют на отражательную способность радара.Это почему наличие града приводит к аномально высоким уровням производных осадков. Эта аномалия обычно сведены к минимуму за счет использования пороговых значений интенсивности дождя.

Z = коэффициент отражения
D = диаметр капли
N (D) = количество капель данного
диаметр на кубический метр

В уроке WDTB по оценке осадков с радара
(http: // www.wdtb.noaa.gov/courses/dloc/topic3/lesson6/player.html) это уравнение представлено для объяснения чувствительности коэффициента отражательной способности Z к диаметру капли. Потому что диаметр капли увеличен до 6-й степени, небольшие изменения диаметра капли приводят к очень большим изменениям до Z. А большие изменения Z приводят к большим изменениям производной интенсивности дождя.

Распределение размеров капель (DSD) относится к размеру и концентрации капель в объеме, скажем, в кубическом метре.Здесь мы показываем два DSD.

Радар более чувствителен к горизонтальному диаметру гидрометеоров, чем к концентрации гидрометеоров. Следовательно, небольшое количество крупных гидрометеоров может привести к одинаковому значению отражательной способности. в виде очень большого количества более мелких капель. Но DSD справа производит большее количество осадков. В поэтому два DSD должны быть представлены разными отношениями Z-R.

DSD может значительно и быстро меняться как в пространстве, так и во времени.Это означает, что это может быть уместно иметь более одного отношения Z-R в одно и то же время. На момент написания этой статьи Национальная Мозаичный и мультисенсорный радиолокатор QPE (NMQ) для измерения осадков может использовать многочисленные зависимости Z-R на основе по атмосферным условиям.

Здесь у нас есть область с линией шквала, которая, скорее всего, имеет DSD, соответствующий конвективным дождям. Соседние слоистые осадки будут демонстрировать другой DSD и должны быть связаны с другим Z-R отношения, чем конвективная область.По мере движения системы осаждения соотношение Z-R в любом одно место должно со временем меняться.

Отражение и снег

Когда снежинки начинают таять, слой воды может заставить их «выглядеть» как очень большие капли дождя. к радару. Это может привести к очень высокой отражательной способности и завышенной норме дождя у земли. ниже, где радар производит замеры слоя таяния наверху.

Чистые снежинки и кристаллы нарушают предположение о жидких гидрометеорах, которые входят в уравнение Z-R. Тем не мение, несколько научно-исследовательских институтов работают над снегопадом, полученным с помощью радара, включая Z-S, или снегопад с отражательной способностью. оцените отношения. Дополнительную информацию можно найти в уроке NOAA / WDTB о снегопадах, полученных с помощью радара:

Тема 5, Урок 24: Продукты для накопления снегопадов: http://www.wdtb.noaa.gov/courses/dloc/topic5/Lesson23/player.html

Оценка осадков с помощью двойного поляриметрического радара

Двухполяризованный или поляриметрический радар

• Очень перспективен для более точной оценки осадков

• Помогите устранить ошибки, связанные с неопределенностями в размере, распределении и фазе капель

Радарная техника прогрессирует с каждым годом.Поскольку этот урок разрабатывается, наиболее многообещающие в отношении осадков используется радар с двойной поляризацией или поляриметрический радар.

Сеть поляриметрических радаров обещает уменьшить некоторые ошибки, связанные с фазой, размером, и распространение гидрометеоров. В конечном итоге это означает проблемы, связанные с неподходящим Z-R. конверсии должны быть сведены к минимуму.

Отличное обучение измерению осадков с помощью поляриметрического радара можно получить в NOAA’s. WDTB.Мы не будем здесь повторять эти уроки, но настоятельно рекомендуем вам повторить их.

Поляриметрический радар:

• Предоставляет оценку формы гидрометеора

• Использует как горизонтально, так и вертикально поляризованный луч радара

• Измеряет влияние формы гидрометеора

Основная предпосылка, лежащая в основе поляриметрического радара, заключается в том, что в дополнение к оценкам отражательной способности мы знакомый, он оценивает формы гидрометеоров.Это достигается за счет использования как горизонтального и вертикально поляризованный луч радара. Измеряя различные отражения от этих двух поляризаций, можно оценить форму и влияние различных форм гидрометеоров.

Например, мы можем определить, являются ли выступающие отражатели большими каплями дождя, которые имеют тенденцию быть сплюснутыми. с большой горизонтальной осью. Мы также можем определить, являются ли гидрометеоры более сферическими, последовательными. с небольшими каплями дождя.Или мы можем измерить, являются ли гидрометеоры сильно отражающими и в целом сферическими, соответствует граду. Другие меры могут использоваться для оценки наличия снега, насекомых или наземных целей.

Радиолокационные пробы осадков

Для хорошего радиолокационного покрытия требуется:

• Нет препятствий со стороны местности и построек

• Системы глубокого осаждения, такие как конвекционные

• Хорошая плотность; радары расположены близко друг к другу

Нет препятствий для луча радара низкого уровня от рельефа или других наземных целей, таких как здания.

Системы осадков простираются через глубокую часть тропосферы, как мы видим при конвективных штормах.

Плотность радиолокационных площадок достаточная. Другими словами, радары расположены достаточно близко друг к другу, поэтому что все радиолокационные пробы происходят в нижних слоях атмосферы.

Луч радара становится выше в атмосфере по мере удаления от радара. Даже небольшой угол наклона, например 0.5 ° составляет ~ 1,5 км (5000 футов) над землей на расстоянии 100 км от радара и 5,2 км (17000 футов) в высоту. на 230 км. Следовательно, для отбора проб осадков с небольшими высотами, которые, скорее всего, будут репрезентативными. Чтобы осадки достигли земли, радары должны быть расположены близко друг к другу.

Для стратиформ:

для конвекции:

Для слоистых осадков лучше всего отбирать образцы с нижнего 1 км атмосферы, которые обычно встречаются. в пределах 50 км от радара.За пределами 50 км образец радара может быть сомнительным. Этот диапазон может быть ограничен далее за счет блокировки луча радара на местности. Пробы слоистых осадков почти всегда плохие. за 100 км от радара.

Конвективные осадки распространяются в гораздо более глубоком слое атмосферы, чем слоистые осадки. Следовательно, в сезоны и в местах, где конвекция обычна, а местность минимальна, радар может осадки хорошо на большом удалении от радара, возможно, за пределами 150 км.Мелкая конвекция может быть недискретизированными радаром на расстоянии менее 150 км.

Покрытие диапазона хуже для снега.

Зона действия радара

Вот местоположения радара NWS с идеальной дальностью 230 км, показанные желтыми кружками. Плотность метеорологические радары обычно ниже на западе США и на Аляске, чем в других частях страны.На этих картах не учитываются особенности местности, которые могут значительно уменьшить радиус действия радара.

Для многих мест и режимов осадков нереально ожидать хороших оценок осадков. с показанным здесь идеальным покрытием 230 км. Более реалистичный радиус 100 или 150 км покажет больше и более многочисленные пробелы, особенно на западе США. Зимой ассортимент реалистичен. покрытие может сократиться до менее 100 км радиуса.

Здесь показано более реалистичное покрытие с картой высоты над уровнем земли (AGL) радара. отбор проб. Это на 10 ноября 2008 года. Хотя эта карта может меняться в зависимости от погоды. условий и работы РЛС, основная картина будет такой же.

Светло-синий цвет показывает, где есть хорошее покрытие низких уровней. Очевидно, что наилучшее покрытие низкого уровня в районах с относительно ровной местностью и хорошей радиолокационной плотностью.Напомним, что для слоистых осадков Зона действия радара может быть значительно снижена, если образец радара находится на высоте 1 км или более над землей, поскольку показаны темно-синим, зеленым, желтым и красным цветом. Даже в центральной и восточной частях США выпадение слоистых осадков местами может быть значительно недооценен. На западе радиолокационная проба может быть выше 3 км над уровнем моря. земля на больших площадях. Это приводит к полному отсутствию систем осадков, особенно стратиформ.Это тоже проблема на Аляске. В качестве примера рассмотрим более подробно покрытие радара в северо-западная часть прилегающих Соединенных Штатов.

Радиолокационная климатология

Хорошее покрытие

Для учета географической и сезонной изменчивости NWS имеет карты радиолокационного покрытия. Здесь мы видим эффективное радиолокационное покрытие Северо-Запада в теплое время года. Заштрихованные области — это места, где радиолокационная климатология показывает хорошее покрытие как минимум с одного радара.Отдельные цвета показывают, какой радар имеет «хорошее» покрытие. придет из. Например, эта белая область показывает, где будут получены оценки радара с радара в Бойсе, Айдахо, KCBX. KCBX считается здесь хорошим, потому что 1) радар может измерять осадки, и 2) в областях перекрытия с соседними радарами KCBX отбирает пробы с более низкой возвышенности.

Неровный вид вызван горами, которые мешают равномерному хорошему покрытию на всем протяжении 230 км. радиус.

http://www.nws.noaa.gov/oh/hrl/papers/2001mou/chapter3_app.pdf

Они производятся программой радиолокационной климатологии NWS, RADCLIM. Кратко продемонстрируем радиолокационную климатологию. на основе частоты выпадения осадков в Бойсе, штат Айдахо.

Частота выпадения осадков начинается с порогового значения осадков для определения того, что мы будем учитывать осадки.Давайте возьмем порог 0,0 мм, что означает, что в любой момент больше, чем 0.0 мм обнаружено радаром, у нас есть осадки. Мы могли бы выбрать более высокий порог, если мы хотим отфильтровать световые события.

Частота выпадения осадков для каждого бункера радара соответствует количеству наблюдений более 0,0 мм. делится на все радиолокационные наблюдения в наборе данных. Мы получили это изображение для радара Бойсе.Радар находится в центре идеального радиолокационного охвата 230 км.

Разные цвета показывают разную частоту появления. По мере удаления от радара частота выпадения осадков уменьшается, что обозначено синим и черным цветами. Обратите внимание на большие площади с очень низкая частота появления, отображается как черный цвет. Они не отражают естественное распределение осадков. Скорее, он показывает, где выборка радара сильно затруднена из-за блокировки местности.

Карта радиолокационного покрытия

• Выберите порог повторяемости осадков:

  «Только когда осадки выпадают так часто, мы будем доверять радару»

Итак, теперь мы хотим выбрать порог частоты осадков для представления эффективного радиолокационного покрытия. В другими словами, мы скажем: «Только когда осадки выпадают хотя бы так часто, мы будем доверять радиолокационные оценки.”

В этом примере была выбрана частота появления 0,006. Это означает, что мы будем рассматривать только ячейки радара, где больше 0,0 мм встречаются не менее 0,006 или 0,6% времени в зависимости от радара климатология.

Это все области, не заштрихованные черным цветом, которые показаны на карте покрытия радара как закрашенные белым. Итак, белая заливка здесь мы предполагаем хорошее радиолокационное покрытие. Следует предположить плохое покрытие в черных областях.В черном области, оценки осадков должны поступать с других радаров или других источников, таких как дождемеры и спутники.

Выбор порога частоты является в некоторой степени субъективным, поскольку он основан на опыте прогнозистов относительно того, что дает наиболее полезные рекомендации.

Радиолокационные климатологические данные создаются для определенных месяцев или сезонов. Вернемся к летнему сезону радарное покрытие для северо-западной части прилегающих Соединенных Штатов.Все не черные области где мы можем предположить хорошее радиолокационное покрытие. Опять же, вот зона покрытия Бойсе, о которой мы только что говорили. о. Таким образом, белая заливка — это то место, где мы можем предположить хорошее покрытие.

В прохладное время года выпадает более низкий уровень осадков и, следовательно, влияние ландшафта и расстояния. по радиолокационным данным оценки осадков более суровы.

Итак, давайте посмотрим на карту радиолокационного покрытия Северо-Запада в прохладное время года.Обратите внимание на резкое уменьшение в хорошем радиолокационном покрытии.

Эти типы карт радиолокационного покрытия, основанные на радиолокационной климатологии, используются в MPE, чтобы определить, где данные должны использоваться.

Спутниковый QPE

Спутниковая оценка осадков потенциально полезна в районах с плохим покрытием радаров и датчики дождя. Хотя спутниковая выборка более последовательна от места к месту, чем радиолокационная выборка, спутниковая выборка осадки имеют более низкое разрешение и, как правило, менее точны, чем осадки, полученные с помощью радиолокатора.Поэтому это считается дополнением, а не заменой радиолокационной продукции.

Для продуктов спутникового Hydro-Estimator:
http://www.star.nesdis.noaa.gov/smcd/emb/ff/auto.html

Данные об осадках, полученные со спутников, лучше всего работают в тропиках и средних широтах во время теплое время года. Другими словами, он лучше всего проверяет, когда сдвиг ветра относительно невелик и осадки выпадают. преобладает конвекция.Это не те условия в редких радиолокаторах западных Соединенных Штатах во время зимний сезон дождей.

Этот продукт NOAA, известный как гидрооценка, применяет фактор местности к оценке осадков. с использованием ветров 700 мб. Это помогает разрешить пространственное распределение осадков. Прочие улучшения к интенсивности осадков может быть достигнуто путем применения факторов, связанных с облачностью, влажностью и характеристиками устойчивости.

В дополнение к корректировкам, основанным как на измеренных, так и на смоделированных характеристиках окружающей среды, увеличивается использование дополнительных возможностей датчиков, таких как микроволновое обнаружение спутников и обнаружение молний.Пассивный микроволновые наблюдения позволяют обнаруживать воду и лед в облаке для получения более точных норма осадков. Однако, поскольку возможности микроволнового зондирования характерны только для спутников на полярной орбите, временная частота намного меньше, чем у продуктов гидрооценки, основанных на геостационарных спутниках.

Продукт SCaMPR (который расшифровывается как Self-Calibrating Mutivariate Precipitation Retrieval) является примером. совмещения временного разрешения геостационарных спутников с более точной оценкой осадков скорости полярных орбитальных аппаратов и предварительный просмотр следующего поколения оперативных спутниковых данных об осадках инструменты оценки.

Домашняя страница внезапного наводнения NOAA:
http://www.star.nesdis.noaa.gov/smcd/emb/ff/index.html

Для получения дополнительной информации об усилиях, связанных со спутниковой оценкой осадков в реальном времени в NOAA, пожалуйста, посетите домашнюю страницу NOAA Flash Flood.

«Дистанционное микроволновое зондирование: облака, осадки и водяной пар»
http://www.meted.ucar.edu/npoess/microwave_topics/clouds_precip_water_vapor/

Для получения дополнительной информации о текущих усилиях по разработке продуктов синергического осаждения, которые объединяют точность микроволновых продуктов с временными преимуществами геостационарных наблюдений см. модуль COMET «Дистанционное микроволновое зондирование: облака, осадки и водяной пар».

Будущие многоспутниковые продукты для измерения осадков также выиграют от новой группировки полярно-орбитальных спутники, известные как GPM, или миссия по глобальному измерению осадков.

Ключевые моменты QPE дистанционного зондирования

• Данные радара обеспечивают наилучшее разрешение

• Лучшее радиолокационное покрытие:

  • Конвективные осадки

  • Жидкие осадки

  • Минимальные особенности местности

• Ошибки в атмосферных осадках, полученных с помощью радиолокатора:

• Радар с двойной поляризацией:

• Осадки, полученные со спутников, дополняют регионы с плохим покрытием радиолокаторами и дождемерами

Вопросы для обзора

1.Самым большим преимуществом получаемых с помощью радара оценок осадков является их _____.

Выберите лучший ответ.

2. Вероятно, что радиолокационные оценки осадков будут наиболее точными для _____.

Выберите все подходящие варианты.

Правильные ответы: a, b и c.

3. Что из перечисленного наименее необходимо для хорошего радиолокационного покрытия?

Выберите лучший ответ.

4. Соответствующее соотношение Z-R _____.

Выберите все подходящие варианты.

Правильные ответы: a и d.

5. Поляриметрический радар должен обеспечивать более точную оценку размера капли. распределение, приводящее к более точным оценкам осадков.

Выберите лучший ответ.

6.Осадки, полученные со спутников, более постоянны, но менее репрезентативны, чем радарные. в США

Выберите лучший ответ.

Дождемер QPE

Пока люди вели записи погоды, была необходимость в каком-то виде улавливать осадки. устройства сбора.

Современные датчики осадков, далее именуемые дождемерами, являются текущей версией этих устройства для сбора.

Дождемеры бывают разных типов, как ручные, так и автоматические …

и используются для измерения дождя, а также жидкого эквивалента замороженных осадков.

Темы раздела включают:

• Истина, лежащая в основе наземной истины

• Воздействие ветра

• Влияние характеристик и местоположения датчика

• Проблемы с автоматическими датчиками

• Проблемы с манометрами

В этом разделе мы обсудим реальность термина «основная истина».При этом мы будем обсудить влияние ветра на габаритные размеры, или «улов колеи», и физические характеристики. и расположение датчика, и характеристики осадков. Мы предложим некоторую перспективу по этим вопросам относительно того, является ли датчик автоматическим или ручным.

Неужели это правда?

http://www.meted.ucar.edu/qpf/rgauge/

COMET ведет веб-трансляцию под названием «Дождемеры , действительно ли они соответствуют действительности» ? Произведен в 2001 году, имеет Климатолог штата Колорадо и национальный эксперт по дождемерам Нолан Доукен.Подведем итоги основные моменты здесь, но вам рекомендуется обратиться к веб-трансляции для более подробной информации.

Чистая правда?

• Часто обеспечивают отличные точечные измерения

• Иногда ошибки довольно большие

Источники ошибок:

Дождемеры, часто называемые «наземной истиной», подвержены ошибкам из различных источников.Несмотря на то что манометры часто обеспечивают отличные точечные измерения, иногда ошибка в этих измерениях может стать довольно большой. Источники ошибки включают конструкцию и выставление самого датчика, характер осадки и погодные условия.

Упражнение: датчики, ветер и угол падения

В неподвижном воздухе гидрометеоры, образующие осадки, падают вертикально вниз на манометр.

Ветер вызывает осадки, падающие под углом к ​​вертикали. Кроме того, датчик сам по себе представляет собой препятствие для потока. Это приводит к изменению характера ветра возле манометра.

Щелкните изображение выше, чтобы открыть видео в новом окне.

Воздействие ветра будет зависеть от фазы и размера гидрометеора.

• Без ветра: осадки падают вертикально вниз

• Ветер вызывает осадки, падающие под углом

• Ветер вызывает изменение картины ветра около шкалы

• Воздействие ветра зависит от фазы гидрометеора и его размера.

В этом упражнении мы рассмотрим типичную дождевую каплю диаметром 2 мм.Возьмем перспективу 2-мм. капли падают к отверстию манометра. Считайте, что угол падения 0 ° соответствует идеальному падению дождя. вертикально, а угол падения 90 ° означает, что дождь идет перпендикулярно датчику.

Сравните, как на следующих рисунках изменяется угол падения, а также эффективная площадь сбора. датчика при изменении скорости ветра. Для каждой скорости ветра вы можете сравнить идеальную площадь улова датчика. с эффективной площадью захвата, определяемой углом падения.Когда будете готовы, ответьте на вопросы при условии.

Вопросы:

1. По мере увеличения скорости ветра эффективная площадь «улова» датчика открытие _____.

Выберите лучший ответ.

2. При постоянной скорости ветра 20 м / с (44 мили в час) эффективная площадь сбора колея кажется _____ идеальной зоной улова.

Выберите лучший ответ.

Конечно, угол падения можно регулировать по-разному. Влияние на угол включают в себя устойчивость ветра, нарушение потока и, что очень важно, размер и фазу гидрометеор.

Продолжая смотреть на капли дождя, падающие на отверстие манометра, давайте задержим ветер. постоянная скорость 10 м / с (22 мили в час).Сравните, как калибр уловителя для капель 2 мм изменяется при каплях> 3. диаметром мм, более мелкие капли диаметром <1 мм и чистые снежинки.

Вопросы:

1. Что, вероятно, будет иметь наибольший недобор по калибру?

Выберите лучший ответ.

2. У кого, вероятно, будет второй по величине недобор по калибру?

Выберите лучший ответ.

3. Если в осадке присутствует смесь капель размером 1, 2, 4 мм, то какие из них лучше всего отбирать. по датчику?

Выберите лучший ответ.

4. Если бы у нас были мокрые снежинки вместо первозданных снежинок, следовало бы ожидать, что датчик поймать быть _____.

Выберите лучший ответ.

Приборы для измерения ветра и турбулентности

Рассмотрение угла падения представляет собой реалистичный сценарий наихудшего случая для возвышенных и сильно экспонированных датчики.Но в дополнение к соображениям угла падения турбулентность потока может влиять на траекторию гидрометеоров. Это может частично компенсировать ошибки, вызванные ветром.

Здесь мы видим увеличение скорости ветра над уровнемером, но мы также видим движение вниз, вызванное турбулентностью. Обратите внимание на траектории, что это может увеличить улов, хотя иногда движение может быть с подветренной стороны от шкалы.

Наземная турбулентность вблизи манометра может иметь гораздо большее значение для улучшения колеи. улов, чем турбулентность, вызванная самим датчиком.

Пока наземные объекты недостаточно высоки, чтобы перехватывать падающие осадки, турбулентность, вызываемая при движении вниз гидрометеоры поворачиваются вертикально к земле.

Для манометров на возвышении меньше шансов получить выгоду от турбулентности, вызываемой землей.

Вырубка среди деревьев может обеспечить лучший баланс между снижением скорости ветра, но не изменением выпадение осадков слишком много.Помните, что влияние лиственных деревьев носит сезонный характер.

(Примечание: эта измерительная станция также включает снежную подушку, используемую для измерения веса скопившихся снег. Подробнее о снежных подушках мы поговорим позже. )

Фото А

Фото Б

Вопрос: Какая колея, вероятно, меньше пострадает от недолова, вызванного ветром?

Выберите лучший ответ.

Правильный ответ: a.

Датчик на фото A в Мика-Крик, штат Айдахо, с меньшей вероятностью испытает значительные недоловов, вызванный ветром, потому что он находится в менее уязвимом месте, чем датчик на фото B. в лесах относительно хорошие места для датчиков, потому что более низкая скорость ветра и турбулентность между поверхность и примерно высота деревьев вызывают движение гидрометеоров вниз.

Хотя растительность может создавать естественные препятствия для создания нисходящего движения, вызванного турбулентностью, ветер щиты часто создаются специально для того, чтобы вызвать этот эффект. Хотя это может привести к некоторому улучшению, все еще может существовать значительная ошибка, вызванная ветром.

Вопрос:
Принимая во внимание эффекты турбулентности, какие два датчика, по вашему мнению, позволят улучшить улавливание датчика?

Выберите два лучших ответа.

Правильные ответы: a и d.

Дождь, датчик давления и ветер

Таким образом, на улов дождя влияют как угол падения, так и турбулентность в окрестностях. датчика.

На этом графике показана обобщенная взаимосвязь между скоростью ветра и уловом для жидкостных гидрометеоров.В Калибровочный улов выражается как отношение измеренного калибра к тому, что фактически упало, поэтому значения меньше, чем 1.0 — это мера занижения калибром.

Для капель дождя типичного размера 2-2,5 мм, как правило, следует ожидать потери 1% осадков. для каждого увеличения скорости ветра на 1 милю в час. Это преобразуется в 2,2% на каждый 1 м / с.

Следовательно, можно ожидать, что скорость ветра 9 м / с (20 миль / ч) приведет к занижению коэффициента, равному 0.80, или занижение количества осадков на 20%.

Существует большой диапазон неопределенности из-за изменчивости размеров капель, устойчивости ветер и расположение датчика. Вот несколько основных моментов, которые следует запомнить. Лучшие измерения в ветреную погоду будет в ситуациях с большими каплями дождя, датчиками вблизи уровня земли и экранированными датчиками. Беднейший измерения будут проводиться с небольшими каплями дождя и измороси, и когда манометры будут подвергаться прямому воздействию ветер.

Снег, улов и ветер

Щелкните изображение выше, чтобы открыть видео в новом окне.

Как показано в упражнении, снег сильнее подвержен влиянию ветра.

На этой фотографии показан типичный сбор снега в дождемере при относительно слабом ветре 5 м / с (11 миль / ч). Снег поднимается с одной стороны, показывая, что только часть проема на с подветренной стороны, эффективно собирал снег.

Ветер со скоростью 5 м / с (11 миль / ч) приведет к уменьшению количества снежинок по ширине колеи на несколько десятков процентов. Исследования, представленные на этом графике, показывают, что при скорости ветра 7 м / с (15 миль в час) датчик может ловить только 10-50% того, что реально падает! Даже в двух исследованиях, где размерный улов был улучшен за счет использование ветрозащитных экранов, ширина захвата на скорости 7 м / с по-прежнему составляет 50% или меньше. Масштабы проблемы будут разными. с характеристиками снежинки.

У более плотных кристаллов будет меньше ошибок улавливания, чем у кристаллов с низкой плотностью.

Снежные подушки — это технология, используемая на предприятиях SNOTEL на западе США. Они весят снег на земле, чтобы получить жидкий эквивалент. Пользователи NWS обычно считают, что эти данные лучше к тем, которые предоставляются автоматическими датчиками.

NRCS SNOTEL сайт: http: // www.wcc.nrcs.usda.gov/snow/

Дополнительную информацию можно найти в Министерстве сельского хозяйства США, по охране природных ресурсов. Сервис (NRCS).

Желательно отверстие для манометра диаметром не менее 102 мм (4 дюйма). Эти одобренные NOAA прозрачные пластиковые датчики имеют отверстия диаметром 4 дюйма. Меньшие отверстия увеличивают вероятность недоедания.

Ручные манометры кооперативных климатических станций NWS имеют апертуру 203 мм (8 дюймов).

Как упоминалось ранее, ширина колеи иногда улучшается, когда близлежащая растительность мешает ветру. Хороший местом может быть лесная поляна, где деревья расположены недостаточно близко, чтобы непосредственно перехватить осадки.

Причина, по которой манометры поднимаются или устанавливаются на крышах, часто обусловлена ​​соображениями безопасности, а не наука.Это увеличивает вероятность ошибок, вызванных ветром.

Измерения автоматических манометров

Автоматические дождемеры предпочитают многие профессиональные пользователи, такие как NWS. Автоматизация позволяет усвоение многочисленных отчетов из отдаленных регионов.

Щелкните рисунок выше, чтобы открыть анимацию в новом окне.

В Соединенных Штатах широко используется тип автоматического калибра с опрокидывающимся ковшом.Это позволяет высокое временное разрешение.

Проблемы, связанные с автоматическими датчиками, часто являются функцией:

• Количество осадков

• Фаза осадков

Проблемы, связанные с автоматическими манометрическими измерениями, часто зависят от количества осадков и фаза осаждения.

Фаза осаждения указывает на то, являются ли гидрометеоры жидкими…

… жидкость и температура ниже нуля, например, ледяной дождь, или …

… замерзший, например, град или снег.

Щелкните рисунок выше, чтобы открыть анимацию в новом окне.

Проблемы занижения калибра автоматического опрокидывающегося ковша:

• Необходимо нагреть для плавления замерзших осадков

• Но нагрев приводит к испарению

• Кроме того, при большом количестве снегопадов таяние не происходит достаточно быстро, чтобы предотвратить переполнение манометра.

Замерзшие и замерзшие осадки представляют собой сложную проблему для манометрических измерений.Это особенно верно для популярного автоматического калибра опрокидывающегося ковша. Для измерения эквивалента жидкости манометр необходимо нагреть, чтобы растопить замороженные осадки. Это может и часто приводит к сублимации или испарению. осадков без измерения, что приводит к заниженным оценкам. Кроме того, если интенсивность снегопада составляет очень большое, плавление не будет происходить достаточно быстро, чтобы предотвратить переполнение датчика, что опять же приведет к занижению оценки.

Количество осадков также может повлиять на точность измерения датчика. [2] Хотя это варьируется в конструкции манометра проблема заключалась в первую очередь в манометре с опрокидывающимся ковшом, как описано в Интернет-трансляция дождемеров, о которой говорилось ранее.

• AWPAG взвешивает замороженные осадки для определения жидкого эквивалента

• Меньшая отапливаемая площадь, меньшая погрешность, чем при опрокидывании ковша

• Первые результаты неутешительны для снега

NWS испытывает автоматизированный датчик для взвешивания, известный как датчик осадков для любых погодных условий. (AWPAG).Обод все еще нагревается, чтобы снег попадал в датчик, где груз будет определить жидкий эквивалент. Однако площадь обогрева не такая большая, как у самосвала. калибры ковша, используемые NWS. Следовательно, следует уменьшить ошибки при испарении и сублимации.

Первоначальные испытания показали неутешительные результаты на снегу, возможно, в основном из-за воздействия ветра.

Развертываемая новая версия манометра AWPAG с двойным ветрозащитным экраном может помочь уменьшить проблемы. с мерным снегом.

Как упоминалось ранее, на сайтах SNOTEL часто используются оценки «снежной подушки» вместо датчиков. где они доступны.

Измерения с помощью манометров

Проблемы с ручными манометрами могут быть выявлены и устранены быстрее, в том числе:

• Деятельность насекомых / птиц

• Утечка

• Перелив снега

• Завал из растительности

• Вандализм

Отчеты ручного манометра страдают отсутствием высокого временного разрешения.Это делает ручные отчеты менее подходит для программ, которым требуется быстрый доступ к отчетам датчиков с высоким разрешением.

Тем не менее, ручные манометры регулярно посещаются, и поэтому проблемы, влияющие на манометрические измерения, могут быть идентифицированным быстрее. Эти проблемы могут включать в себя гнезда насекомых или птиц, утечку, перелив, засорение. от быстрорастущей растительности и вандализма.

При условии, что переполнение манометра не происходит во время сильного града или снегопада, ручные манометры могут позволить больше точные измерения жидкого эквивалента с замороженными осадками.Снег и град растоплены и измерены вручную.

Кроме того, наблюдатель может получить «керновое» измерение снега с земли, если он / она определяет, что это даст более репрезентативную пробу, чем снег, собранный измерять. Измерения керна предназначены для минимизации ошибок, вызванных ветром. Хорошо обученный Следовательно, наблюдатель может обеспечить улучшенные показания эквивалента жидкости.

Существует множество сетей с манометрами с ручным управлением. Двумя хорошо известными из них являются сеть совместных наблюдений и Совместная сеть сообществ по наблюдению за дождем, градом и снегом (CoCoRaHS).

Совместная сеть наблюдений, спонсируемая Национальной метеорологической службой NOAA, имеет наблюдателей. в каждом штате. сеть по-прежнему использует ручные датчики.

Сеть CoCoRaHS охватывает почти всю страну в США и может вскоре стать полностью общенациональной. публикация этого тренинга.

Дождемер Ключевые моменты QPE

• Отчеты о датчиках превосходны для хорошо обслуживаемых, оптимально расположенных датчиков при слабом ветре

• Дождемеры не обязательно обеспечивают хорошее пространственное разрешение

• Значительная ошибка занижения при сильном ветре

• Недостаток колеи под влиянием изменчивости ветра и гидрометеоров

• Сильный ветер: возможно, большая погрешность в данных датчика, чем в данных радара

Дождемеры могут предоставить отличную информацию, если они содержатся в хорошем состоянии, оптимально расположены и ветер легкий.

Дождемеры являются точечными оценками и не обязательно обеспечивают хорошее пространственное разрешение.

Ветер вызывает значительные ошибки в улове датчика, что приводит к недооценке. Эти ошибки максимальны при сильном ветре, при открытых датчиках, снежинках и небольших каплях жидкости.

Углы падения, вызванные ветром, уменьшают эффективную площадь захвата датчика. Турбулентность может вызвать нисходящую движение, которое частично компенсирует проблему угла падения.

В ситуациях, когда существует хорошее радиолокационное покрытие, возможно, что ситуации сильного ветра могут вызвать большие неточности в точности датчиков, чем у радара. Пользователь множественных осадков датчики могут захотеть рассмотреть возможность того, что в таких условиях нецелесообразно регулировать радар с данными дождемера.

Вопросы для обзора

1. Измерительные приборы не обязательно являются основополагающими, поскольку они подвержены количественным ошибки и они _____.

Выберите лучший ответ.

2. При сильном ветре измерение манометра _____.

Выберите все подходящие варианты.

Правильные ответы: b и d.

3. В ветреную погоду наиболее точные манометрические измерения будут выполняться при хорошем техническом обслуживании. датчики и _____.

Выберите все подходящие варианты.

Правильные ответы: a и c.

4. Общее практическое правило — ожидать потери 1% осадков, измеренной датчиком. за каждые _____ увеличения скорости ветра.

Выберите лучший ответ.

Климатология осадков / PRISM

Темы в этом разделе:

Руководство по климатологии осадков может использоваться, чтобы помочь заполнить пробелы в оценках наблюдаемых осадков. бедны.

Наиболее широко используемым инструментом климатологии осадков в Соединенных Штатах по состоянию на 2009 г. является Parameter-elevation. Регрессии на модели независимых склонов, или PRISM. До использования в MPE PRISM широко использовалась в нескольких центрах речных прогнозов на западе США.

Темы в этом разделе включают обоснование PRISM, использование данных PRISM, климатологию осадков NCDC. инструменты и ограничения использования климатологии осадков для QPE.

ПРИЗМА

Продукты и презентации доступны для загрузки в группе PRISM в Университете штата Орегон: http://www.prism.oregonstate.edu/

Разработанная в Университете штата Орегон, климатологическая продукция PRISM включает в себя климатологию осадков для несколько частей света. Для NWS США руководство по климатологии осадков включает смежные Соединенные Штаты…

… Гавайские острова, Пуэрто-Рико, Гуам и …

… Аляска вместе с частями соседних канадских провинций.

Продукты и подробные презентации о создании этих продуктов можно загрузить в группе PRISM. в Государственном университете Орегона.

Использование климатологии осадков PRISM:

• Исторические данные об измеренных осадках

• Географические данные, особенно рельеф местности

А в отдельных случаях:

PRISM основана на исторических данных об измерении осадков в точке местоположения, географические данные, особенно информация о местности, и в некоторых случаях преобладающее направление ветра.Измерения расхода стока используются для корреляции климатологии осадков в бассейне с климатологией стока. и таким образом обеспечить грубую проверку достоверности количества выпавших осадков.

Точечных наблюдений редко бывает достаточно для представления пространственной картины выпадения осадков. Это особенно верно в регионах с резкими перепадами высот и / или вблизи крупных водоемов. PRISM использует известная связь количества осадков с географическими объектами.Автоматизированный статистический подход используется для повышения эффективности, но при этом руководствуется человеческим опытом.

Базовое использование PRISM

PRISM Климатология осадков используется для обоих

• QPE (наблюдается)

• QPF (прогноз)

Климатология осадков PRISM может использоваться как для наблюдаемых осадков (QPE), так и для прогнозов осадков. (QPF).

Получение QPE из климатологии осадков PRISM начинается с баллов …

… например, показания датчика дождя. Отсюда мы получаем отношение балла к баллу. ЦЕННОСТЬ ПРИЗМЫ.

В этом примере мы предполагаем, что показание датчика составляет 40 мм (1,57 дюйма), а значение PRISM в этой точке составляет 20 мм (0,79 дюйма). Соотношение 40 к 20 составляет 2.0. Теперь мы применяем это соотношение к другим значениям PRISM.

Корректирует оценку площадных осадков на коэффициент 2,0, но сохраняет градиенты и относительные величины, которые мы видим в данных PRISM.

Конечно, этот процесс выполняется для множества точек колеи с использованием схем взвешивания расстояний. Этот — это базовая функциональность компонента MPE, называемого Daily QC. Daily QC был разработан как часть Mountain Картографическая система на западе США, которая производит калибровочный анализ с контролем качества и PRISM.

Этот подход с использованием данных о колее и рельефа считается трехмерным (3-D) подходом. Это может быть очень полезен на участках с плохим рельефом. Области, которые находятся в пределах 100 км от зеленой штриховки на этой карте там, где PRISM использует трехмерный подход для QPE. Это также будет включать все Гавайские острова и большая часть Аляски.

В белых областях на этой карте PRISM использует двухмерный процесс. Это в основном взвешенный по расстоянию калибровочный анализ.

Прочие приборы для климатологии осадков

Национальный центр климатических данных США (NCDC) разрабатывает еще один потенциальный инструмент для пространственного климата. данные. Продукты осадков будут частью этого климатического инструмента NCDC. Здесь мы видим предварительный взгляд на продукты для климатологии осадков в январе и июле в смежных Соединенных Штатах. На это время похоже, что продукты могут стать доступными для использования в 2010 году.

Ограничения климатологии осадков

• Климатологические данные усредняют отдельные события

• Отдельные события могут показать большие отклонения от климатологии

• Значения, как правило, ближе к климатологии с:

  • Осадки, вызванные орографией

  • Обширные слоистые осадки

Как и в случае с любыми климатологическими данными, есть ограничения.Климатология усредняет отдельные события в набор данных. Отдельные выпадения осадков могут показывать большие отклонения от климатологии, особенно в места экстремумов и резких градиентов. Однако даже с этими ограничениями есть регионы, в которых вероятно, получит некоторую пользу от климатологических инструментов.

Отдельные события часто будут ближе к климатологии в регионах с большим орографическим влиянием.

Кроме того, регионы, которые имеют тенденцию получать обширные стратиформные осадки, будут ближе к климатологии. чем в областях, где преобладает конвекция.

Таким образом, западное побережье Северной Америки может быть областью, которая больше всего выиграет от климатологических изменений. в QPE. Имейте в виду, что отклонения от климатологических норм, вероятно, будут иметь более серьезные последствия, поскольку можно посмотреть на бассейны меньшего размера.

Вопросы для обзора

1. Климатологические указания, такие как PRISM, полезны в районах с хорошим радиолокационным покрытием, но очень мало датчиков.

Выберите лучший ответ.

2. Климатологическое руководство, вероятно, будет наиболее полезным в регионах с _____ и _____.

Выберите лучший ответ.

3. Климатологические поправки к QPE могут искажать распределение осадков. то есть _____.

Выберите лучший ответ.

Сводка

Наблюдаемый жидкий эквивалент осадков может быть измерен непосредственно с помощью дождемеров или косвенно с помощью средства дистанционного зондирования.К инструментам дистанционного зондирования относятся радар и спутник. Измеренные поля осадков иногда изменяются с помощью климатологических инструментов.

Инструменты дистанционного зондирования имеют то преимущество, что они обеспечивают косвенные измерения в широкой пространственной области. Радиолокационный продукты, в частности, могут обеспечить отличное пространственное и временное разрешение. Но удаленно ощущается оценки осадков подвержены ошибкам, связанным со свойствами датчика и характеристиками. осадков.

Прямое измерение с помощью датчиков часто называют признаком достоверности. Однако ошибки связаны с тип датчика, характеристики осадков и ветра. Кроме того, датчики часто делают не отображать пространственные детали.

Климатологические корректировки предлагают метод для заполнения пустых областей данных полезными данными. Но эти корректировки могут вводить в заблуждение для систем выпадения осадков, которые отклоняются от климатологических норм.

Часть II этой серии из 2 модулей по оценкам осадков исследует, как объединить измерения из несколько датчиков для оптимального анализа наблюдаемых осадков.

Поздравляем! Вы завершили этот модуль. Пожалуйста, найдите время, чтобы принять участие в викторине и поделиться своим мнением, заполнив краткий опрос.

МОЛ пирамиды со встроенными оптическими полостями в качестве платформы холодного атома для часов на оптической решетке

Оптико-механическая конструкция

МОЛ пирамиды и узел резонатора показаны на рис.2. МОЛ создается путем освещения сборки одним большим (1/ e ² перетяжкой 22 мм) лучом с круговой поляризацией. После двухступенчатой ​​МОЛ атомы загружаются в двумерную оптическую решетчатую ловушку, которая создается за счет связи милливаттного света на длине волны 813 нм с модами TEM ₀₀ двух скрещенных резонаторов усиления. Характеристика этих ловушек с использованием атомных данных будет представлена ​​в следующих подразделах. Здесь мы выделяем некоторые важные аспекты оптико-механической конструкции.Более подробная информация о конструкции платформы холодного атома изложена в Методах.

Слева: Разнесенная визуализация МОЛ пирамиды в вакууме и настройки резонатора. Справа: Фотография частично завершенной сборки до установки титановых электродов. Две противоположные пары зеркал резонатора образуют две отдельные полости, повернутые на 60 градусов; один резонатор может использоваться сам по себе для реализации одномерных часов оптической решетки, а другой может дополнительно использоваться для создания двухмерной решетки.Третья ось оптического доступа, повернутая на 60 градусов от полостей, но в той же («радиальной») плоскости, — это то место, где пучок атомов Sr входит в область МОЛ.

Пирамида MOT отражатель состоит из шести покрытых серебром BK7 стеклянных призм и под прямым углом призмы CaF 2 , которые приклеены к опорной плите титана. Каждая призма скошена для самовыравнивания и образует компактный шестиугольный светоотражатель с внутренним радиусом 16,5 мм. Новая гексагональная симметрия выбрана частично для обеспечения трех радиальных осей оптического доступа и частично для создания дополнительной пары радиальных ограничивающих пучков для компенсации ~ 40% более низкой интенсивности пучка МОЛ, падающего на призматические зеркала по сравнению с интенсивностью в центре гауссов пучок.

В конструкцию включены две полости для улучшения одномерной решетки, которые пересекаются друг с другом на 8 мм выше центра светоотражателя из CaF ₂ , образуя двухмерную решетку. Зеркала имеют радиус кривизны 10 см и разделены на 36 мм, что дает перетяжку 100 мкм для решетки с магической длиной волны 813 нм. Оба резонатора имеют точность 6000 на 813 нм, что обеспечивает приблизительный коэффициент увеличения мощности 2000. Для исследования часового перехода вдоль оси резонатора резонатор для спектроскопии имеет просветляющее покрытие на длине волны 698 нм.{1} {\ rm {P}} _ {1} \) переход ²⁵ .

Каждое зеркало наклеено на верхнюю часть набора пьезоэлектрических приводов, чтобы обеспечить диапазон настройки длины каждого резонатора до 6 мкм. Блоки исполнительных механизмов состоят из двух сдвиговых пьезоэлементов 5 × 5 × 0,5 мм ³ , которые электрически контактируют с квадратами немагнитной, совместимой со сверхвысоким вакуумом (UHV) медно-бериллиевой (CuBe) фольги. На электрод CuBe в середине пакета подается напряжение до ± 250 В, но электроды наверху и внизу пакета заземлены, так что внутренний высоковольтный электрод хорошо защищен от атомов.Чтобы обеспечить дополнительную защиту от высоких напряжений, приложенных к пьезоэлектрическим элементам, вокруг зеркал резонатора установлены электрически изолированные титановые экраны. Затем титановые экраны подключаются к отдельным контактам вакуумного ввода, чтобы можно было подавать напряжение для определения любых остаточных фоновых электрических полей. Подробная информация об этой характеристике фонового поля представлена ​​в следующих подразделах.

Чтобы реализовать двумерную решетку, моды двух резонаторов должны хорошо перекрываться в пространстве.К сожалению, изменение центрирования зеркала, указанное производителем, не позволяет обрабатывать всю сборку с требуемой точностью, чтобы гарантировать пересечение режимов. Вместо этого в титановую опорную пластину втачиваются гибкие опоры для обеспечения кинематической регулировки зеркал в полости, не связанной с спектроскопией, после приклеивания (см. Рис. 2). Гибкие опоры обеспечивают регулировку наклона каждого зеркала резонатора, тем самым позволяя нам перемещать режим резонатора, не связанный с спектроскопией, вверх или вниз по оси МОЛ, пока он не пересечется с резонатором для спектроскопии.Один изгиб регулируется путем изменения диаметра титанового дюбеля, зажатого под изгибом. Это обеспечивает грубую настройку положения полости с разрешением около 45, и первоначально выравнивается и тестируется вне вакуума. Угол наклона другого изгиба был спроектирован так, чтобы его можно было настраивать с помощью пьезоэлемента сдвигового пакета, который должен был обеспечивать точную двунаправленную регулировку положения моды резонатора на ± 50 мкм после того, как сборка была помещена в вакуум. Однако при испытании этого пьезоэлемента в вакууме было обнаружено, что мода резонатора не двигалась — возможно, из-за отказа пьезоэлектрического элемента или отсоединения пакета от первого.{1} {\ rm {P}} _ {1} \) переход. МОЛ загружается из замедленного атомного пучка, генерируемого эффузивной печью, за которым следует 20-сантиметровый постоянный магнит Зеемана с поперечным полем ²⁶ . В совокупности зеемановский медленнее и МОЛ требуется 100 мВт света с длиной волны 461 нм, который генерируется путем удвоения частоты выходного сигнала сужающегося усилителя на длине волны 922 нм с использованием модуля генерации второй гармоники с волноводным усилением (ГВГ). После распространения имеется до 35 мВт доступной мощности в замедляющем пучке и 40 мВт в МОЛ.Перед попаданием в МОЛ пирамиды пучок МОЛ коллимируется до перетяжки 1 / e ² 22 мм, так что каждый радиальный пучок имеет примерно 60% пиковой интенсивности в центре оси. Это гарантирует, что охлаждающие силы примерно сбалансированы между осевым и радиальным направлениями. {3} {\ rm {P}} _ {2} \).{3} {\ rm {P}} _ {1} \) ²⁷ . Мы используем модуль SHG с улучшенным волноводом для генерации света перекачки путем удвоения частоты диодного лазера с расширенным резонатором, работающего на длине волны 994 нм. Сверхтонкая структура, возникающая из-за наличия ядерного спина ( I = 9/2), усложняет перекачку ⁸⁷ Sr, поскольку атомы могут быть помещены в любое из пяти различных сверхтонких состояний, разделенных несколькими по энергии. В нашей системе переходы из всех пяти сверхтонких состояний управляются применением боковых полос фазовой модуляции на частоте 710 МГц к свету повторной накачки с использованием волноводного электрооптического модулятора (EOM), размещенного перед модулем SHG.{3} {\ rm {D}} _ {3} F = 15/2 \) переход. Луч 2,92 мкм имеет мощность 700 мкВт, отстройку от красного в среднем на 5 МГц и частотную модуляцию, чтобы покрыть спектр от пика до пика 3 МГц, таким образом компенсируя диапазон зеемановских сдвигов, вносимых излучателем. градиент магнитного поля 0,7 мТл · см ⁻¹ . В конце этой стадии примерно пятая часть атомов переносится из синей МОЛ в метастабильную МОЛ. Чтобы сжать облако метастабильных атомов, требуется дополнительная широкополосная МОЛ 80 мс на 2.{1} {\ rm {S}} _ {0} \) \ ({M} _ {F} = + \, 9/2 \) состояние. Чтобы перевернуть атомы в \ ({M} _ {F} = — \, 9/2 \), поле можно неадиабатически переключить на противоположный знак в течение 100 мкс, а затем адиабатически повернуть обратно в исходное направление в 40 мс. Наконец, атомы выбираются с помощью двух этапов фильтрации: сначала горячие атомы сбрасываются, уменьшая глубину решетки до глубины 5 мкК за 20 мс, удерживая в течение 20 мс, а затем снова увеличивая глубину до желаемой глубины для спектроскопии. Во-вторых, чистота спиновой поляризации улучшается с использованием 30-миллисекундного импульса Rabi π , резонирующего с часовым переходом для желаемого спинового состояния, за которым следует 2-миллисекундный импульс на длине волны 461 нм для удаления атомов, оставшихся в основном состоянии.При типичном времени цикла охлаждения и подготовки состояния 500 мс система способна улавливать в решетке 2 × 10 ⁴ спин-поляризованных атомов при 3 мкК.

Полости для расширения решетки

Тонкость резонатора 6000 и перетяжка решетки 100 мкм позволяют системе генерировать ловушку глубиной 30 мкК с мощностью только 1 мВт, связанной с резонатором 813 нм, что более чем достаточно для работы часов. Этот большой коэффициент усиления имеет преимущества: он совместим с менее дорогими маломощными лазерными источниками и помогает уменьшить усиленное спонтанное излучение, падающее на атомы, которое в противном случае могло бы стать проблемным источником систематической погрешности в частоте тактового перехода.Однако при длине резонатора 35,9 мм высокая точность также имеет недостаток, заключающийся в том, что ширина линии резонатора составляет всего 700 кГц, что усугубляет техническую проблему преобразования частотной модуляции в амплитудную модуляцию (FM в AM), в результате чего колебания в Отстройка лазера от резонанса полости будет модулировать мощность циркуляции внутри резонатора. Преобразование FM в AM может быть особенно проблематичным, если оно вызывает амплитудный шум на гармониках частот движения ловушки, поскольку это приводит к параметрическому нагреву атомного образца ²⁸ .Учитывая, что типичные частоты захвата составляют> 50 кГц, необходимы контуры управления с широкой полосой пропускания для стабилизации расстройки лазерного резонатора, чтобы избежать такого нагрева.

В нашей системе решетчатый резонатор преобразование FM в AM минимизировано с помощью схемы стабилизации частоты, показанной на рис. 4. Система разработана как для обеспечения стабильности решетки на магической длине волны, так и для фиксации относительной резкая расстройка лазерного резонатора на уровне ниже 10 кГц. Чтобы справиться с нестабильностью длины свободного хода атомной полости, необходимо несколько контуров управления: обе вакуумные полости вибрируют с механической резонансной частотой 9 кГц, вызывая отклонения около 100 кГц в режиме 813 нм, что затрудняет работу. для достижения достаточно плотной фиксации резонатора и лазера, используя только пьезоэлектрические приводы.Следовательно, чтобы достичь достаточного усиления контура, нам пришлось реализовать дополнительную широкополосную синхронизацию PDH с боковой полосой 813 нм для резонатора — см. Подробности на рис. 4.

Схема, показывающая решетчатый лазер и схему стабилизации резонатора. Для простоты мы показываем только одну из двух атомных полостей. PDh2: Частота лазера 813 нм привязана к передаточному резонатору с использованием метода Паунда-Древер-Холла (PDH). Быстрая петля обратной связи активируется на боковой полосе порядка 1 ^st волноводного электрооптического модулятора (EOM) в конфигурации электронной боковой полосы ⁴² , и эти быстрые частотные поправки передаются на акустооптический модулятор (AOM). чтобы свести к минимуму частотный шум в свете, посылаемом атомам.Затем медленный контур обратной связи управляет лазером 813 нм для устранения дрейфа частоты боковой полосы EOM. PDh3: Длина переносящего резонатора привязана к тактовому лазеру с длиной волны 698 нм, чтобы гарантировать, что лазер с длиной волны 813 нм поддерживает магическую длину волны с долговременной нестабильностью значительно ниже 50 кГц. PDh4: В устройстве, аналогичном PDh2, быстрая петля обратной связи связывает боковую полосу 1 ^st -го порядка волноводной EOM с атомным резонатором, а затем медленная петля обратной связи регулирует длину резонатора для устранения дрейфа в EOM-приводе. частота. Стабилизация интенсивности: Наконец, передача через резонатор активно стабилизируется путем шунтирования переменной величины оптической мощности в боковые полосы на частоте ± 1 ГГц, которые отклоняются из резонатора.

Мы использовали два метода для характеристики остаточной параметрической скорости нагрева в решетке с усилением резонатора. Первый метод заключается в измерении времени жизни решеточной ловушки и сравнении его с ограниченным вакуумом временем жизни 30 с, измеренным с использованием атомов, захваченных в магнитную ловушку, в состоянии 5s5p ³ P ₂ .Как показано на правой панели рис.5, время жизни решетки составляет 0,75 с, когда задействованы только медленные контуры PDH, но оно увеличивается до 27 с, когда добавляются контуры PDH с высокой пропускной способностью, что указывает на то, что параметрический нагрев от FM до AM преобразование может вызвать значительную потерю атомов. Независимо от того, задействованы ли контуры PDH с высокой пропускной способностью, контур стабилизации интенсивности не оказывает существенного влияния на срок службы. Скорее всего, это результат того, что ширина полосы контура недостаточна для значительного снижения шума выше 100 кГц, который требуется для подавления параметрического нагрева.

Слева: Измеренная температура атомов в зависимости от времени выдержки в одномерной оптической решетке с линейной аппроксимацией данных. Вставка: Пример данных сканирования боковой полосы, используемых для вывода атомной температуры с использованием функции аппроксимации, полученной из ³⁰ . Справа: Экспоненциальный спад числа атомов в решетке, ограниченный столкновениями с фоновыми газами. Вставка: Значительно увеличенная скорость распада числа захваченных решеткой атомов с использованием только медленной пьезосинхронизации длины резонатора с решеточным лазером без высокочастотной синхронизации лазера с атомным резонатором (см.рис.4 для объяснения этих замков), показывая влияние преобразования FM в AM на нагрев.

Чтобы охарактеризовать скорость остаточного нагрева после включения всех петель, мы применяем второй, более прямой метод: атомы удерживаются в решетке в течение фиксированного времени перед измерением их температуры с помощью спектроскопии с разрешенной боковой полосой часового перехода, как показано на Левая панель рис.5 ²⁹ . Измерение формы и амплитуды боковых полос дает информацию об относительной атомной заселенности в различных состояниях движения, которую затем можно использовать для определения средней температуры ³⁰ .В осевом направлении мы измеряем скорость нагрева менее 0,1 кванта / с, в то время как в поперечном направлении мы не обнаруживаем никаких изменений температуры.

Как указывалось ранее, перекрытие перетяжек двух резонаторов было установлено вне вакуума путем наклона одного из зеркал в полости, не предназначенной для спектроскопии, с использованием прецизионно отполированного установочного штифта, вставленного под изгибную опору; подробности относительно этой процедуры изложены в разделе «Методы». Чтобы убедиться, что полости оставались выровненными после помещения в вакуум и прогрева при 125 ° C, мы измерили эффективность загрузки решетки в зависимости от положения, когда МОЛ второй ступени перемещалась по двум решеткам.Результаты этой процедуры показаны на рис. 6. Мы наблюдали окончательное смещение между двумя полостями в вакууме примерно на 20 мкм, что удобно меньше, чем радиус перетяжки моды в 100 мкм, что позволяет реализовать двухмерную решеточную ловушку.

Поиск точки пересечения двух полостей и измерение их относительного перекрытия — это двухэтапный процесс. Сначала положение МОЛ перемещается вдоль резонатора спектроскопии путем перемещения нуля магнитного поля, чтобы найти точку его пересечения с другим резонатором.Этот процесс показан на (а). Затем выполняется аналогичный процесс, но теперь облако перемещается по линии, перпендикулярной обеим решеткам, то есть перпендикулярно плоскости изображения, показанной на (а), для измерения положения каждого центра ловушки. От гауссовой аппроксимации до зависимостей эффективности нагрузки решетки (показано на (b)), относительное смещение между двумя модами оценивается в 20 мкм.

Чтобы убедиться, что полости в вакууме могут быть использованы для реализации ОЖК, мы провели спектроскопию на часовом переходе с результатами, показанными на рис.7. Тактовый переход 698 нм в ⁸⁷ Sr строго запрещен с естественной шириной линии около 1 мГц ³¹ , поэтому мы применили метод электронной полки для определения доли возбуждения атомов после применения импульса тактовой спектроскопии ³² . Чтобы устранить красные и синие подвижные боковые полосы в двумерной решетке, мы возбудили тактовый переход с помощью зондирующего импульса длительностью 20 мс. Зондирующий луч был совмещен с режимом резонатора для спектроскопии и имел пиковую интенсивность 150 мВт / см ² .Две отдельные частоты движения 27 кГц и 61 кГц указывают на плотное удержание в двух направлениях с предполагаемой глубиной захвата 12,4 мкК и 3,9 мкК вдоль полостей спектроскопии и неспектроскопии соответственно. Наконец, мы провели сканирование с высоким разрешением по тактовому переходу, уменьшив интенсивность зонда, чтобы запустить 500 мс Rabi π -импульс. В этих условиях мы наблюдали контраст перехода 0,9 и полную ширину полувысоты 1,7 Гц, что соответствует коэффициенту Q , равному 2.5 × 10 ¹⁴ и обеспечивает хорошую основу для реализации стабильного OLC.

Основная фигура: Среднее значение четырех сканирований движущихся боковых полос атомов, захваченных в 2D-решетку. Хорошо видны две различные частоты захвата движения на 27 и 61 кГц. Вставка: Однократное сканирование с высоким разрешением по тактовому переходу с использованием импульса Rabi π длительностью 500 мс на спин-поляризованном атомном образце.

Систематические сдвиги в часах оптической решетки

Ранее было замечено, что зарядка диэлектрических поверхностей вблизи атомов может приводить к штарковским сдвигам постоянного тока на уровне 1 × 10 ^{−13 24} — более четырех порядков величины больше целевой погрешности нашего OLC.Чтобы убедиться, что точность нашей системы не снижается из-за таких эффектов, мы следовали стандартной процедуре ³³ . Сначала на вакуумные электроды подавали напряжение, чтобы вызвать штарковский сдвиг часового перехода, который затем измеряли спектроскопически относительно независимого стандарта частоты Sr. Процесс повторялся, но с обратной полярностью поля. Если разница в двух измеренных сдвигах равна нулю, квадратичный характер возмущения означает отсутствие остаточной компоненты электрического поля вдоль направления приложенного поля.Мы повторили этот процесс измерения в трех ортогональных направлениях, чтобы полностью охарактеризовать любое остаточное фоновое поле, наблюдая почти симметричные сдвиги частоты на несколько единиц от приложенных электрических полей вдоль каждой оси. Чтобы избежать непреднамеренной зарядки диэлектрических поверхностей приложенными напряжениями, напряжения на электродах меняли на противоположные во время части стадии охлаждения, так что интегрированное электрическое поле в течение каждого экспериментального цикла было нулевым. Для времени измерения менее одного часа мы делаем вывод о полном дробном штарковском сдвиге постоянного тока из остаточного фонового электрического поля \ ((\, — \, 1.{-18} \).

Столкновения с фоновыми газовыми загрязнениями внутри вакуумной камеры также вносят вклад в систематический сдвиг часового перехода. Учитывая разнообразие вакуумных материалов в сборке пирамидальной МОЛ, возможность низкого качества вакуума была важной проблемой на этапе проектирования. В качестве меры предосторожности за пирамидальной МОЛ были установлены большие неизваряемые геттерные насосы с общей скоростью откачки 500 л / с для водорода с расчетной проводимостью в область захвата атомов 300 л / с.Чтобы оценить верхний предел фонового давления газа, достигаемый в этой системе, было измерено время жизни атомов, магнитно захваченных в состоянии ³ P ₂ ³⁴ . Срок службы ловушки 30 с указывает на давление примерно 1 × 10 ^-10 мбар ³⁴ . Применяя подходящую модель ³⁵ и предполагая, что в качестве фона преобладает водород (или другие газы с аналогичными коэффициентами C ₆ ³⁶ ), соответствующий сдвиг частоты столкновений оценивается как -5 × 10 ^{— 19} .Поскольку модель сдвига еще предстоит экспериментально проверить, погрешность также принята равной 5 × 10 ⁻¹⁹ .

Для типичных OLC при комнатной температуре, использующих стронций или иттербий, излучение черного тела (BBR) вызывает наибольший систематический сдвиг. В наиболее точных системах часто предпринимались значительные усилия для минимизации неопределенности BBR, например, с использованием датчиков температуры в вакууме ³⁷ или хорошо охарактеризованного медного корпуса, вложенного в вакуумную камеру ^38,39 .В принципе пирамидальная платформа МОТ в этом отчете будет совместима с этими передовыми методами, но вместо этого мы выбрали более простой подход, заключающийся в прикреплении восьми калиброванных датчиков температуры Pt100 снаружи вакуумной камеры. Затем температура BBR была смоделирована как следующее квадратное распределение вероятностей между максимальным и минимальным показаниями датчика, с результирующей неопределенностью температуры, заданной как \ (({T} _ {{\ rm {\ max}}}} — {T} _ {{\ rm {\ min}}}) / \ sqrt {12} \) ⁴⁰ .Однородности температуры в нашей системе способствовала компактность пирамидальной сборки МОЛ, которая позволила использовать относительно небольшую титановую вакуумную камеру с внешним радиусом 39 нм. Помимо улучшения теплопроводности между разными сторонами вакуумной камеры, небольшой радиус камеры также снижает требуемую мощность для катушек MOT, что приводит к значительно меньшему тепловыделению. Мы приняли дополнительные меры предосторожности, охладив катушки МОЛ водой и отделив их от камеры воздушным зазором.Результирующая неоднородность размаха температуры в камере при работе тактовой последовательности составила 200 мК, что соответствует систематической относительной погрешности частоты 4 × 10 ^-18 для вызванного BBR штарковского сдвига переменного тока.

В настоящее время проводится полная оценка систематических сдвигов частоты в OLC. Однако представленные здесь данные показывают, что МОЛ пирамиды и узел полости совместимы с систематической погрешностью в низком диапазоне 10 ⁻¹⁸ .

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.